CN110702237A - 可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，包括：一束宽谱光由左端光纤入射，经光纤波分复用器后，不同光子能量的光由右端的不同光纤通道输出，并接入低温恒温器；低温恒温器中每根光纤的终端端面上转印有超导纳米线单光子探测器，单光子探测器覆盖光纤纤芯，正极和负极设置在光纤包层端面上，读出电缆与正极、负极相接；超导纳米单光子探测器连接在偏置和读出电路中，读出光子计数率。本发明具有光子能量可分辨能力，可以应用于波分复用量子密钥分发***中。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有探测效率高、计数率高、暗计数率小、时域抖动小、响应频谱宽等优势，是现今近红外及可见光波段量子光学实验中不可或缺的实验仪器。它是利用超导纳米线在单光子激发下由超导态转变为有阻态的转变特性，将光信号转变为电压信号由读出电路读出，通过对电压信号的计数实现光子计数。
现今传统的超导纳米线单光子探测器只能探测出单光子的个数，却不能分辨光子能量或者光的波长。
发明内容
本发明提供了一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，利用超导纳米线单光子探测器、光纤和波分复用器集成，解决了传统超导纳米线单光子探测器因不具备分辨不同光子能量或光波长的能力、而对某些应用方面如量子密钥分发***所带来的局限性，该发明具有光子能量可分辨能力，可以应用于波分复用量子密钥分发***中，详见下文描述：
一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，包括：
一束宽谱光由左端光纤入射，经光纤波分复用器后，不同光子能量的光由右端的不同光纤通道输出，并接入低温恒温器；
低温恒温器中每根光纤的终端端面上转印有超导纳米线单光子探测器，单光子探测器覆盖光纤纤芯，正极和负极设置在光纤包层端面上，读出电缆与正极、负极相接；
超导纳米单光子探测器连接在偏置和读出电路中，读出光子计数率。
其中，光纤端面为圆形光纤接头/微凸球面研磨抛光接口(FC/PC)，在光纤端面的保护套部分粘合上钛金电极。
进一步地，超导纳米线单光子探测器两端与电极相连，超导纳米线覆盖的光敏区域的位置与光纤纤芯位置重合。
其中，所述单光子探测器阵列还包括：
1)以薄膜为基底加工超导纳米线单光子探测器；
2)在波分复用器右侧光纤端面制作钛金电极；
3)将超导纳米线单光子探测器转印到波分复用器右侧光纤端面上。
进一步地，所述以薄膜为基底加工超导纳米线单光子探测器具体为：
通过等离子体增强化学气相沉积的方法生长一层一定厚度的氮化硅，并用磁控溅射在氮化硅上溅射一层厚度一定的超导薄膜材料，在超导薄膜上加工金电极；
通过电子束曝光将纳米线图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀方法刻蚀纳米线图形；
通过光刻开腐蚀窗口，腐蚀硅并从薄膜上取下超导纳米线单光子探测器，在硅基底一面镀银。
其中，所述将超导纳米线单光子探测器转印到波分复用器右侧光纤端面上具体为：
将宽谱光从左侧光纤入射，经过波分复用器后，将宽谱光按照波长间隔分为不同波长的光，从右侧的不同光纤输出；
光纤端面的电极与超导纳米线单光子探测器上的电极相接触，探测器的光敏区域与光纤在近场对准耦合；
在每一根光纤端面都转印上超导纳米线单光子探测器，进而形成了超导纳米线单光子探测器阵列，不同光纤末端的超导纳米线单光子探测器探测到的光子的能量不同，从而实现超导纳米线单光子探测器对不同光子能量的分辨。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
在本发明之前，超导纳米线单光子探测器不能应用于需要区分不同能量的光子的情形下，它的应用范围收到限制，比如传统的超导纳米线单光子探测器无法应用于量子密钥分发***；本发明提出了一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，拓宽了超导纳米线单光子探测器的应用范围，可以应用于波分复用量子密钥分发***，解决量子密钥分发中的多信道协同工作问题。
附图说明
图1为可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列的结构图；
图2为以薄膜为基底的超导纳米线单光子探测器加工流程图；
其中，(a)为加工电极；(b)为电子束曝光，加工纳米线；(c)为甩光刻胶；(d)为光刻开腐蚀窗口，腐蚀硅；(e)为取下薄膜上的超导纳米线单光子探测器；(f)为镀银薄膜。
图3为在光纤端面制作钛金电极的第一种方法：
其中，(a)为未处理光纤端面；(b)为光纤端面镀金；(c)为利用聚焦离子束技术刻蚀金，制作金电极。
图4为在光纤端面制作钛金电极的第二种方法：
其中，(a)为未处理光纤端面；(b)为光纤端面放置金属块；(c)为镀一定厚度的金；(d)为抽去金属块，得到金电极。
图5为将超导纳米线单光子探测器转印到光纤端面上的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供的可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列比传统超导纳米线单光子探测器的应用范围更广。例如：可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列可以用于波分复用的量子密钥分发***中，设计可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列可以解决量子密钥分发过程中多信道协同工作的问题。
实施例1该发明的总体技术方案如图1所示：一束宽谱光由左端光纤入射，经光纤波分复用器后，不同光子能量(波长)的光由右端的不同光纤通道(光纤通道1.....光纤通道n)输出，并接入低温恒温器；低温恒温器中每根光纤的终端端面上转印有超导纳米线单光子探测器，超导纳米线单光子探测器覆盖光纤纤芯，正极和负极设置在光纤包层端面上，读出电缆与正极、负极相接；超导纳米单光子探测器连接在偏置和读出电路中，读出光子计数率。
因此，根据不同光纤通道上SNSPD的响应计数率来实现可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列。
具体技术方案包括以下几个方面：
技术一是以薄膜为基底加工高效率的超导纳米线单光子探测器；技术二是加工光纤端面，并将超导纳米线单光子探测器连同薄膜衬底直接转印到光纤端面上，使探测器的光敏区域与光纤在近场对准耦合，薄膜基底上的电极与光纤端面上制作的电极接触，并通过后续的信号处理***对探测到的电脉冲进行处理。
技术一部分如图2所示，加工步骤如下所述：(a)在硅、氮化硅基底上，加工金电极与超导薄膜；(b)通过电子束曝光、反应离子束刻蚀在超导薄膜上加工超导纳米线；(c)在芯片上表面匀胶、光刻、显影，制备出腐蚀窗口；(d)腐蚀超导薄膜、氮化硅、硅，加工出沟槽；(e)从基底上取下超导纳米线单光子探测器；(f)背面镀银。最终制备出具有高性能、高效率等优点的超导纳米线单光子探测器。超导薄膜可选择的材料包括：氮化铌、氮化钛铌、硅化钨、硅化钼等。
技术二部分可以分为以下四点：
一、在波分复用器右侧的光纤插芯端面上制作金接触垫(钛金电极)；
二、超导纳米线单光子探测器电极以及光敏区的设计；
三、将超导纳米线单光子探测器转印到光纤端面上；
四、焊线与封装。
对于第一点，波分复用器左端光纤输入一宽谱光，右侧不同的光纤输出端输出光的波长不同，即输出的光子能量不同，从而实现了不同能量的光子输出。波分复用器可以按照信道间隔分为密集波分复用器和稀疏波分复用器，前者的信道间隔在0.2纳米到1.2纳米之间，后者信道间隔一般为20纳米，以上两种波分复用器均适用。光纤端面为FC/PC(圆形光纤接头/微凸球面研磨抛光)接口，在光纤端面的保护套部分设计并粘合上钛金电极，如图3、4所示。
对于第二点，超导纳米线单光子探测器两端与电极相连，超导纳米线覆盖的光敏区域的位置要与光纤纤芯位置重合。
对于第三点，如图5所示，将超导纳米线单光子探测器薄膜翻转并粘合在FC/PC光纤套管的端面上，光纤端面的电极与超导纳米线单光子探测器上的电极相接触，探测器的光敏区域与光纤在近场对准耦合，转移-组装过程中金电极之间产生很强的范德华力使超导纳米线单光子探测器与光纤纤芯固定对准。
对于第四点，将读出电缆连接到光纤端面的正极与负极上，并接入到外部偏置和读出电路中。
实施例2
最佳实施方案如下：
一、以薄膜为基底加工超导纳米线单光子探测器
通过等离子体增强化学气相沉积的方法生长一层一定厚度的氮化硅，并用磁控溅射的方式在氮化硅上溅射一层厚度一定的超导薄膜材料，在超导薄膜上加工金电极；
通过电子束曝光的方法将纳米线图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀方法刻蚀纳米线图形；
通过光刻的方法开腐蚀窗口，腐蚀硅并从薄膜上取下超导纳米线单光子探测器，在硅基底一面镀银。
二、在波分复用器右侧光纤端面制作钛金电极
方法一：
通过蒸镀等方法在光纤表面镀一层金薄膜，利用聚焦离子束技术等方法刻蚀出金电极。
方法二：
在光纤端面不需要覆盖金的部分放置金属块，利用蒸镀法在金属块和未被金属块覆盖的部分蒸镀相同厚度的金薄膜，取下金属块，即可得到金电极。
三、将超导纳米线单光子探测器转印到波分复用器右侧光纤端面上
将宽谱光从左侧光纤入射，经过波分复用器后，通过波分复用器，将宽谱光按照一定的波长间隔分为不同波长的光，从右侧的不同光纤输出，不同波长的光对应着不同的光子能量。
使超导纳米线单光子探测器薄膜翻转并粘合在FC/PC光纤套管的端面上，光纤端面的电极与超导纳米线单光子探测器上的电极相接触，探测器的光敏区域与光纤在近场对准耦合，从而探测器可对光纤输出的光子进行探测。
右侧不同光纤输出光波长不同，即输出光子的能量不同。在每一根光纤端面都如上述所示转印上超导纳米线单光子探测器，进而形成了超导纳米线单光子探测器阵列，不同光纤末端的超导纳米线单光子探测器探测到的光子的能量不同，从而实现超导纳米线单光子探测器对不同光子能量的分辨。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，其特征在于，包括：
一束宽谱光由左端光纤入射，经光纤波分复用器后，不同光子能量的光由右端的不同光纤通道输出，并接入低温恒温器；
低温恒温器中每根光纤的终端端面上转印有超导纳米线单光子探测器，单光子探测器覆盖光纤纤芯，正极和负极设置在光纤包层端面上，读出电缆与正极、负极相接；
超导纳米单光子探测器连接在偏置和读出电路中，读出光子计数率。
2.根据权利要求1所述的一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，其特征在于，
光纤端面为圆形光纤接头/微凸球面研磨抛光接口，在光纤端面的保护套部分粘合上钛金电极。
3.根据权利要求1所述的一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，其特征在于，超导纳米线单光子探测器两端与电极相连，超导纳米线覆盖的光敏区域的位置与光纤纤芯位置重合。
4.根据权利要求1所述的一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，其特征在于，所述单光子探测器阵列还包括：
1)以薄膜为基底加工超导纳米线单光子探测器；
2)在波分复用器右侧光纤端面制作钛金电极；
3)将超导纳米线单光子探测器转印到波分复用器右侧光纤端面上。
5.根据权利要求4所述的一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，其特征在于，所述以薄膜为基底加工超导纳米线单光子探测器具体为：
通过等离子体增强化学气相沉积的方法生长一层一定厚度的氮化硅，并用磁控溅射在氮化硅上溅射一层厚度一定的超导薄膜材料，在超导薄膜上加工金电极；
通过电子束曝光将纳米线图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀方法刻蚀纳米线图形；
通过光刻开腐蚀窗口，腐蚀硅并从薄膜上取下超导纳米线单光子探测器，在硅基底一面镀银。
6.根据权利要求4所述的一种可分辨光子能量的超导纳米线单光子探测器阵列，其特征在于，所述将超导纳米线单光子探测器转印到波分复用器右侧光纤端面上具体为：
将宽谱光从左侧光纤入射，经过波分复用器后，将宽谱光按照波长间隔分为不同波长的光，从右侧的不同光纤输出；
光纤端面的电极与超导纳米线单光子探测器上的电极相接触，探测器的光敏区域与光纤在近场对准耦合；
在每一根光纤端面都转印上超导纳米线单光子探测器，进而形成了超导纳米线单光子探测器阵列，不同光纤末端的超导纳米线单光子探测器探测到的光子的能量不同，从而实现超导纳米线单光子探测器对不同光子能量的分辨。
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